具有集成浪涌保護功能的小封裝 TIOS102 和 TIOS102x 數字傳感器輸出驅動器

在工業傳感器領域，一款性能出色的數字驅動器能為系統的穩定運行提供有力保障。TIOS102 和 TIOS102x 數字傳感器輸出驅動器就是這樣一款值得關注的產品，它具備多種特性和功能，能滿足不同的應用需求。下面我們就來詳細了解一下。

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產品特性與應用

產品特性

• 寬電源運行：TIOS102 和 TIOS1023 的電源電壓范圍為 4.75V 至 36V，TIOS1025 的電源電壓范圍為 7V 至 36V，能適應多種不同的電源環境。
• 可配置輸出：支持 PNP、NPN 或推挽可配置輸出，為設計提供了更多的靈活性。
• 集成保護功能：集成了反向極性保護、EMC 保護等功能，能有效保護器件免受過壓、過流和過熱等情況的影響，提升系統的穩定性。
• 小封裝設計：提供 3mm x 3mm 10 引腳 VSON 封裝和 2.45 mm x 1.7 mm DSBGA 封裝等小型封裝選項，節省空間，便于集成到各種設備中。

應用場景

該驅動器適用于多種應用場景，如接近開關、電容式和電感式傳感器、傳動器以及數字輸出等。

產品詳細說明

功能安全設計

TIOS102(x) 器件能夠承受高達 1.2kV (500Ω) 的 IEC 61000 - 4 - 5 浪涌，并且集成了反向極性保護功能，同時還提供有助于進行功能安全系統設計的文檔，為系統的安全運行提供了保障。

電氣性能提升

與 TIOS101(x) 引腳兼容，并在性能上有所提升。例如在 200mA 條件下，殘余電壓低至 0.5V（典型值）；提供驅動器電流限制能力，改善了封裝的熱性能；更低的驅動器壓擺率，可減少過沖（最大 750ns）。

輸出電流配置

通過一個引腳可編程接口便可輕松連接到電路，可使用外部電阻器配置輸出電流限值，可配置驅動器過流限制范圍為 50mA 至 350mA。

故障報告與保護

提供故障報告和內部保護功能，可應對欠壓、過流和過熱條件。當出現故障時，NFAULT 引腳會發出指示信號，方便工程師及時發現問題。

集成式 LDO 選項

TIOS1023 和 TIOS1025 分別集成了 3.3V 和 5V 的 LDO，可支持高達 20mA 的電流，為外部組件提供穩定的電源。TIOS1023L 還提供可選的 3.3V/5V LDO 輸出，可通過 VSEL 引腳進行配置。

產品規格參數

絕對最大額定值

• 電壓范圍：VCC 和 OUT 的穩態電壓范圍為 - 65V 至 65V，瞬態脈沖寬度 < 100 μs 時的電壓范圍為 - 70V 至 70V。
• 其他參數：邏輯電源電壓、輸入邏輯電壓、輸出電流等都有相應的限制范圍，超出這些范圍可能會導致器件損壞。

ESD 評級

該器件具有良好的 ESD 防護能力，人體模型（HBM）下所有引腳的靜電放電電壓為 ±4000V，充電設備模型（CDM）下為 ±750V。同時，在 IEC 標準下，VCC、OUT 和 GND 引腳的 ESD 接觸放電為 ±8000V，電氣快速瞬變（EFT）為 ±4000V，浪涌為 ±1200V。

推薦工作條件

• 電源電壓：TIOS102、TIOS1023 和 TIO1023L（3.3V 輸出）的電源電壓范圍為 4.75V 至 36V，TIOS1025 和 TIOS1023L（5V 輸出）為 7V 至 36V。
• 其他參數：邏輯電平輸入電壓、外部電阻、數據速率、LDO 輸出電流等都有相應的推薦值，在這些條件下工作能保證器件的性能和可靠性。

熱性能信息

不同封裝的器件在熱性能上有所差異，例如 TIOS102、TIOS1023 和 TIOS1025 DRC（10 引腳）的結到環境熱阻為 45.9°C/W，而 TIOS102 和 TIOS1023L YAH（12 引腳）為 79.3°C/W。

電氣特性

在不同的測試條件下，器件的電源電流、輸入輸出電壓、電阻等參數都有相應的數值范圍，這些參數是工程師進行電路設計和性能評估的重要依據。

開關特性

驅動器的傳播延遲、使能延遲、禁用延遲、輸出上升和下降時間等開關特性也有明確的規定，這些特性影響著器件的響應速度和信號質量。

產品功能特性

電流限制配置

輸出電流可通過 ILIM_ADJ 引腳的外部電阻進行配置。當外部電阻為 10 kΩ 時，在工作溫度和電壓范圍內可設置最小 300 mA 的電流限制。將 ILIM_ADJ 引腳浮空可禁用輸出因電流故障而關閉和電流故障自動恢復功能，但電流故障指示仍然有效，這在驅動大電容負載時非常有用。當 ILIM_ADJ 引腳接地時，TIOS102(x) 可配置為源或吸收最小 500 mA 的電流，此時電流故障指示和輸出禁用及自動恢復功能均被禁用。

電流故障檢測、指示與自動恢復

當 OUT 引腳的輸出電流超過內部設定的電流限制 $I{O(LIM)}$ 且持續時間超過 $t{sc}$ 時，NFAULT 引腳將被驅動為邏輯低電平，以指示故障狀態。此時輸出將關閉，但 LDO 繼續工作。輸出會周期性地重試，以檢查是否仍處于過流狀態。通過設置 ILIM_ADJ = OPEN 或 GND 可禁用電流故障自動恢復模式，切換 EN 引腳可清除 NFAULT 信號。

熱警告與熱關斷

當芯片溫度超過 $T{(WRN)}$ 時，NFAULT 標志將保持低電平，指示可能存在過熱問題。當 $T{J}$ 超過 $T{(SDN)}$ 時，輸出將被禁用，但 LDO 仍保持工作。當溫度下降到溫度閾值以下（經過 $T{(HYS)}$ 后），內部電路將根據 EN 和 IN 引腳的狀態重新啟用驅動器。

故障報告（NFAULT）

當檢測到電流故障、芯片溫度超過 $T_{(WRN)}$ 或電源電壓下降到 UVLO 閾值以下時，NFAULT 引腳將被拉低。當所有三個故障條件都清除后，NFAULT 引腳將恢復到高阻抗狀態。

設備功能模式

• NPN 配置（N - 開關模式）：將 IN 引腳設置為高電平（或浮空），使用 EN 引腳作為控制信號，可在 OUT 引腳實現 N - 開關（低側配置）的功能。
• PNP 配置（P - 開關模式）：將 IN 引腳設置為低電平，使用 EN 引腳作為控制信號，可在 OUT 引腳實現 P - 開關（高側配置）的功能。
• 推挽模式：將 EN 引腳設置為高電平，通過切換 IN 引腳作為控制信號，可在 OUT 引腳實現推挽輸出的功能。

應用設計

典型應用設計要求

在典型應用中，需要根據具體需求選擇合適的器件和參數。例如，輸入電壓范圍、輸出電流、輸出電壓、LDO 輸出電流、上拉電阻、去耦電容等都需要根據系統設計要求進行選擇。

詳細設計過程

• 最高結溫檢查：在設計過程中，需要計算驅動器的功耗和結溫，以確保結溫不超過建議的最大值。通過計算驅動器輸出電流限制、開關壓降、LDO 功耗等參數，結合結至環境熱阻，可得到結溫和環境溫度之間的差值，進而計算出最終結溫。只要結溫低于 150°C，就不會發生熱關斷，但如果結溫接近 $T_{WRN}$，則可能會生成熱警告。
• 驅動容性負載：該器件能夠驅動 OUT 輸出上的容性負載。在假設純容性負載且無串聯/并聯電阻的情況下，可通過公式 $C{LOAD}=frac{left[I{O(LIM)} × t{SC}right]}{V{(VCC)}}$ 計算不觸發電流故障時可充電的最大電容值。為了驅動更高的容性負載并避免過流情況導致驅動器禁用，建議將 ILIM_ADJ 引腳浮空，或者在輸出和負載之間串聯一個電阻。
• 驅動感性負載：TIOS102(x) 系列能夠對大電感負載進行磁化和消磁。在 P - 開關或 N - 開關模式下，器件內部電路可實現快速消磁。在 P - 開關配置中，當 OUT 引腳驅動為高電平時，負載電感 L 被磁化，當 PNP 關斷時，OUT 引腳會出現約 - 15V 的負電感反沖電壓，該電壓會被內部鉗位。在 N - 開關配置中，當 OUT 引腳驅動為低電平時，負載電感 L 被磁化，當 NPN 關斷時，OUT 引腳會出現約 15V 的正電感反沖電壓，同樣會被內部鉗位。

布局與設計建議

布局指南

• 電路板選擇：建議使用 4 層電路板，以實現良好的熱傳導。頂層用于控制信號，第二層作為 GND 層，第三層用于 24V 電源平面（VCC），第四層用于穩壓輸出電源（VCC_IN/OUT）。
• 熱性能優化：將散熱焊盤通過盡可能多的熱過孔連接到 GND，以獲得最佳的熱性能。使用完整的平面來布置 VCC、VCC_IN/OUT 和 GND，以確保最小的電感。
• 電容配置：VCC 端子必須通過一個低 ESR 的陶瓷去耦電容連接到地，電容值最小為 100 nF，電壓額定值最小為 50V（根據最大傳感器電源故障額定值可能需要 100V），且應采用 X5R 或 X7R 電介質。電容應盡可能靠近 VCC 和 GND 端子，以減少大電源電流負載時的電源壓降。同時，將穩壓輸出電壓 VCC_IN/OUT 通過一個低 ESR、1 μF 的陶瓷去耦電容連接到地，電容的電壓額定值最小為 10V，電介質為 X5R 或 X7R。
• 電阻連接：將所有開漏控制輸出通過 10 kΩ 上拉電阻連接到 VCCIN/OUT 平面，為系統控制器輸入提供確定的電壓電位。將 $R{SET}$ 電阻連接在 ILIM_ADJ 和 GND 之間。

電源供應建議

TIOS102 和 TIOS102x 設計為在 VCC 端使用標稱 24V 的電源供電，但可在 7V 至 36V（TIOS1025）或 4.75V 至 36V（TIOS102、TIOS1023）的電源電壓范圍內工作。該電源應使用至少一個 100 - nF/100 - V 的電容進行緩沖。

總結

TIOS102 和 TIOS102x 數字傳感器輸出驅動器憑借其豐富的特性、出色的性能和良好的保護功能，為工業傳感器應用提供了一個可靠的解決方案。在使用過程中，工程師需要根據具體的應用需求，合理選擇器件、配置參數，并注意布局和設計要點，以充分發揮其優勢，確保系統的穩定運行。大家在實際應用中是否遇到過類似器件的使用問題呢？歡迎在評論區分享交流。